利用碳素纖維和一體化設(shè)備進(jìn)行污水凈化的研究

宗步澤

（東方希望集團(tuán) 集團(tuán)總部環(huán)保組，上海200331）

1 背景

在全世界環(huán)境問題被重視的情況下，污水處理、排水處理問題被認(rèn)為是包括公共設(shè)施和民間企業(yè)在內(nèi)的重要課題。

近年來，由于湖沼的富營養(yǎng)化，青藻等藻類的產(chǎn)生增加，水資源的污染成為了問題。雖然有很多水處理方法，特別是膜處理系統(tǒng)，以前，像懸浮質(zhì)那樣與水混合，像膠體和懸浮質(zhì)那樣混合、浮游、溶解在水中的物質(zhì)，使用凝集、氧化、吸附等過程，不能充分除去。這些物質(zhì)也可以通過物理上的處理而分離出來。雖然是具有如此優(yōu)秀特征的膜處理，但也有不足以改善除濁度以外的有機(jī)物量的情況。

另外，在導(dǎo)入膜處理之初，初期費(fèi)用有變高的傾向，而且適合原水的水質(zhì)有一定的限制，也有需要預(yù)先處理的情況。即使是現(xiàn)在，光從裝置的費(fèi)用來看，還比其它的處理價(jià)格高，需要定期更換膜模塊，所以必須考慮更換作業(yè)中的運(yùn)轉(zhuǎn)停止和成本。

本論文以更便宜的價(jià)格凈化封閉性水域的水質(zhì)為目標(biāo)，使用簡單的構(gòu)造能提高水中溶解氧的量的氣液泵，通過與碳纖維組合來調(diào)查實(shí)際進(jìn)行池水凈化時(shí)的效果。

膜分離技術(shù)是指根據(jù)膜的不同特性，通過膜兩側(cè)壓差的作用力，同時(shí)利用各污染物在膜傳質(zhì)過程中存在的選擇性差異情況，對(duì)多組的流體物質(zhì)進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和富集等操作。膜分離技術(shù)在污水處理環(huán)節(jié)中起著重大的作用，其原理是通過膜元件的滲透性原理，將水體里比較粗大的污染物進(jìn)行物理分離出來。當(dāng)前，膜分離技術(shù)不僅可以對(duì)廢水起到凈化與過濾的作用，而且在純水制備與消毒環(huán)節(jié)中也發(fā)揮著重要作用。在水處理的應(yīng)用中，既能降低水處理成本支出，還能提升水資源的循環(huán)利用效率，為人們創(chuàng)造更加安全的生活環(huán)境。

2 成本分析

本試驗(yàn)所采用的膜為PVDF 平板膜，膜孔徑為0.2 微米，膜通量采用15-20L/m3.h，的膜富余量，該設(shè)備中需要放置1 套500 平膜面積，該種膜的價(jià)格為150 元／平。公司的一體式膜式生物反應(yīng)器采用同一類型的膜，這種規(guī)模的設(shè)備報(bào)價(jià)為6000 元／套，因此膜方面設(shè)備的一次性投資為8 萬元。配套反應(yīng)器的其他投資為10 萬元。

采用二級(jí)污水處理工藝的污水處理廠的投資為7000-9000元／噸水，若處理污水的目標(biāo)是成為中水，還需要增加沉淀、過濾、消毒等設(shè)備以及對(duì)應(yīng)的人工操作，與之對(duì)應(yīng)的是，給水處理工藝方面的投資約為30 萬元。

通過比對(duì)上述設(shè)備投資分析，雖然一體式膜式生物反應(yīng)器比傳統(tǒng)的生物物化中水處理工藝的設(shè)備投資略微高一些，但成本差距不大。如果一體式膜式生物反應(yīng)器的污水處理規(guī)模達(dá)到一定規(guī)模，處理量很大，整體設(shè)備投資還可降低。

公司的污水處理一體式膜式生物反應(yīng)器的占地面積200 平。如果考慮設(shè)備所需的其他設(shè)備如水泵、鼓風(fēng)機(jī)、控制柜等，兩種設(shè)備的占地也不超過百分之20，比同種傳統(tǒng)的生物物化處理工程少占地百分之50 以上。

同時(shí)，膜分離技術(shù)操作方便，對(duì)各種污水處理的應(yīng)用環(huán)境具有較強(qiáng)的適用性。但同時(shí)，膜分離技術(shù)的使用需要匹配對(duì)應(yīng)的設(shè)備設(shè)施，此設(shè)備的特點(diǎn)是自動(dòng)化程度比較高，并且能為工作人員操作上帶來了很多便利，基本通過PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)就能一鍵完成。通常，整個(gè)膜處理分離過程可以在室內(nèi)或工廠內(nèi)部進(jìn)行，可多次使用，在使用過程中也不會(huì)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備造成磨損。在運(yùn)行維護(hù)方面，工作人員要定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)檢查，同時(shí)匯總好整個(gè)設(shè)備運(yùn)行體系可能存在的故障點(diǎn)，對(duì)是否需要進(jìn)行保養(yǎng)等問題進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的檢查。在標(biāo)準(zhǔn)化檢查中，可采用紅牌作戰(zhàn)法，逐步解決每一個(gè)存在的問題，在運(yùn)行點(diǎn)檢上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化檢查，在檢查中，制定完善的檢查參照對(duì)象，逐次進(jìn)行檢查，不會(huì)產(chǎn)生遺漏現(xiàn)象。除此之外，相對(duì)于其他污水處理方式，其出水更加干凈，穩(wěn)定性也能得到很好的保證，同時(shí)水中的有機(jī)物也不會(huì)影響處理過程。通過分離，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的過濾與凈化操作，可以達(dá)到良好的水質(zhì)處理效果，并且能減少很多資源的浪費(fèi)。其主要靠壓力推動(dòng)進(jìn)行過濾化的操作，整個(gè)工藝流程中受環(huán)境影響較小，并同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化處理，從而提升工人的工作效率。

3 工藝比對(duì)

3.1 好氧處理技術(shù)。好氧處理技術(shù)是通過好氧菌的培養(yǎng)來處理污水的技術(shù)，該污水處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，在污水處理過程中需要人工干預(yù)相對(duì)較少，只需要將合適的好養(yǎng)菌群培養(yǎng)出來。在廢水中放入一定量的好氧菌對(duì)各種污染物進(jìn)行有效處理，其原理是好氧菌對(duì)廢水中有機(jī)物進(jìn)行分解，將其分解成為二氧化碳、水和無機(jī)鹽等物質(zhì)。在分解過程中，二氧化碳會(huì)排放到空氣中，無機(jī)鹽中部分金屬離子會(huì)被微生物吸收，磷酸根和硫酸根則會(huì)溶解在水里，不會(huì)對(duì)水資源和土壤造成環(huán)境上的危害。好氧菌從污水有機(jī)物的分解中獲取能量，用來供自己代謝和繁殖所用。這樣就能產(chǎn)生無限量的好氧菌，并使無限量的好氧菌可以持續(xù)進(jìn)行廢水處理工作。在好氧污水處理技術(shù)中也有多種處理方式，其中比較有效的是間歇曝氣法，在間歇曝氣運(yùn)行方式中，比較常用的IDEA、CASS。

3.2 厭氧-好氧組合處理技術(shù)。在污水處理中，由于厭氧污水處理技術(shù)和好氧污水處理技術(shù)都有其各自的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)都具有一定局限性，單獨(dú)使用任何一種處理技術(shù)都無法實(shí)現(xiàn)完全消除廢水中的有害物質(zhì)，難以達(dá)到廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。為此，將兩種技術(shù)結(jié)合，形成厭氧-好氧組合技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)污染物處理，也讓廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)需要專業(yè)污水處理設(shè)備，適用于大規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)的污水處理技術(shù)中，上流式厭氧污泥床-活性污泥反應(yīng)器在養(yǎng)殖廢水處理中較為多見。畜禽養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)較為成熟，但是還有很大提升空間。養(yǎng)殖廢水處理需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，所以，在畜禽養(yǎng)殖污染防治工作，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是通過預(yù)防來降低廢水處理的難度。因此，畜禽養(yǎng)殖業(yè)主、相關(guān)廢水處理部門、地方環(huán)保部門需要通力合作，切實(shí)處理好畜禽養(yǎng)殖廢水預(yù)防處理工作。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將氣液泵設(shè)置在像圖1 那樣生長有藻類的水池中，使其通過碳纖維循環(huán)，同時(shí)使用（株）堀場(chǎng)制作所的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等定期測(cè)量池水的：①濁度；②pH 值；③CD（導(dǎo)電率）；④DO（溶解氧量）等水質(zhì)指標(biāo)。

關(guān)于碳纖維的凈化效果，實(shí)驗(yàn)室也進(jìn)行了測(cè)定，為了找到池水凈化系統(tǒng)的氣液泵的容量、流水量和碳纖維的必要量等最佳條件，現(xiàn)在正在進(jìn)行研究。除此之外，還進(jìn)行了調(diào)查應(yīng)用KSB 功能水時(shí)的凈化效果的實(shí)證試驗(yàn)。

圖1 氣液泵池水凈化裝置的照片

5 結(jié)果與考察

作為結(jié)果的一個(gè)例子，將安裝碳纖維和氣液泵的池水的濁度變化體現(xiàn)為圖2，凈化總?cè)芙舛龋═DS）在圖3 上，氧化還原電位（ORP）在圖4 上。主要是由于水中不溶性雜質(zhì)引起的濁度隨時(shí)間降低，而表示水溶性雜質(zhì)量的TDS 幾乎沒有變化。如圖4 所示，ORP是正值，隨著時(shí)間的增加而增加。而且，由于溶解氧量（DO）的增加，水中有機(jī)雜質(zhì)發(fā)生氧化、分解等使?jié)岫冉档?。水是由碳素和液體所產(chǎn)生的。根據(jù)設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果，制定/審核/調(diào)整/優(yōu)化工藝方案，制定好企劃方案，出具工藝圖紙；AO 工藝變更為AAO 工藝，增加厭氧效果；增加小隔斷，使水流停留時(shí)間延長，處理效果提高。計(jì)算所需材料使用量和成本價(jià)格，包括一體化玻璃鋼、PAC 藥劑，碳素纖維材料，水泵等。

圖2 導(dǎo)入碳纖維和氣液泵池水的濁度的時(shí)變

圖3 導(dǎo)入碳纖維和氣液泵的池水雜質(zhì)總?cè)芙舛龋═DS）的時(shí)變

圖4 導(dǎo)入碳纖維和氣液泵的池水的氧化還原電位的時(shí)變